Einem Forschungsteam ist es gelungen, zentrale Schritte einer chemischen Reaktion sichtbar zu machen, mit der die Natur Energie mit außerordentlicher Effizienz überträgt. Mithilfe ultraschneller Röntgenstrahlen verfolgten die Forschenden die Reaktion in Echtzeit. Das zentrale Ergebnis: Veränderungen an Elektronen und Protonen sind eng mit der Neuanordnung der umgebenden Wassermoleküle verknüpft. Wird ein Elektron ($e^-$) verschoben, ordnen sich die Wassermoleküle der Hydrathülle nahezu zeitgleich um; Elektronen, Protonen ($H^+$) und Wasserdipole bilden dabei ein gekoppeltes System.
Dieser Mechanismus entspricht dem protonengekoppelten Elektronentransfer (PCET), einer der wichtigsten Reaktionsklassen in Biologie und Chemie. Ähnliche Reaktionen treiben die Fotosynthese an, bei der Pflanzen Lichtenergie nutzen, um aus Kohlendioxid und Wasser energiereichen Zucker aufzubauen:
$$6\,CO_2 + 6\,H_2O \xrightarrow{h\nu} C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2$$Da vergleichbare Prozesse auch andere Energieumwandlungen in der Natur prägen, eröffnet die neue Beobachtungstechnik vielversprechende Anwendungen: Sie könnte die Entwicklung besserer Katalysatoren ermöglichen, die Elektronen- und Protonentransfer gezielt koppeln. Auch Brennstoffzellen und Redox-Flow-Batterien, deren Wirkungsgrad stark vom effizienten Ladungstransfer in wässriger Umgebung abhängt, könnten davon profitieren. Die ultraschnellen Röntgenpulse erlauben eine Zeitauflös
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